【手続補正書】
【提出日】平成18年9月20日(2006.9.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
N個（Nは４以上の偶数）の永久磁石セグメントをリング状に組合せて、中央空洞部を有する磁気回路を形成し、隣り合う永久磁石セグメントは前記磁気回路の円周方向に沿って異なる磁化方向を有するとともに、隣り合う永久磁石セグメントの磁化方向が交差してなす磁化方向基本位相角θを720/N（度）とし、前記磁気回路を円周方向に４等分して得られる基本構成ユニットを形成する少なくとも１つの永久磁石セグメントの磁化方向は、前記磁化方向基本位相角θを形成する位置から、前記空洞部の直径に沿って均一な磁場を発生し得る角度だけ変化するように設定されていることを特徴とする磁場発生装置。
【請求項２】
前記永久磁石セグメントは、隣り合う永久磁石セグメントとの間に距離をおいて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁場発生装置。
【請求項３】
各基本構成ユニットにおいて、４５度付近に配置された前記永久磁石セグメントの磁化方向は前記磁化方向基本位相角θを形成する位置から変化するように設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁場発生装置。
【請求項４】
前記磁化方向が前記磁化方向基本位相角θを形成する位置から変化する角度は、＋１５度以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の磁場発生装置。
【請求項５】
前記磁気回路は、８〜２０個の前記永久磁石セグメントを有することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の磁場発生装置。
【請求項６】
前記磁気回路は、１２個の前記永久磁石セグメントを有することを特徴とする請求項５に記載の磁場発生装置。
【請求項７】
前記空洞部の平面方向の全領域のうち中央から５０〜７０％の領域において、少なくとも４５度付近における磁場発生方向に対する磁場平行度は、磁気回路の軸方向の略全域にわたって、±１度以内としたことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の磁場発生装置。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載の磁場発生装置と、当該磁場発生装置の空洞部内に位置し、外側から順に冷却手段と、加熱手段と、被熱処理品を保持する保持具とを有する熱処理装置と、を具備することを特徴とする磁場配向装置。
【請求項９】
請求項１〜７の何れかに記載の磁場発生装置を、永久磁石製造用成形金型の周囲に設置したことを特徴とする磁場配向装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
被熱処理品が磁気抵抗膜を有するウエハ基板の場合、磁気抵抗効果を安定的に向上させるためには通常1.0T以上の大きな磁場が必要である。更にこのとき磁場を磁性膜の磁化方向に対して平行かつ均一に印加する必要がある。しかしながら従来の電磁石、超伝導磁石あるいは永久磁石を用いた磁場発生装置では、強くて平行かつ均一な磁場を発生させることができなかった。
そこで、本発明者らはこのような磁場発生装置としてハルバッハ型磁気回路を用いることを検討した。しかし、ハルバッハ型磁気回路をこのような熱処理炉の磁場発生装置として用いた例はなく、そのため空洞部内の磁場強度、その均一度及び平行度の検討が必要であった。
本発明者らの検討の結果、これらの磁場特性には不均一性があることが分った。例えば、図１７のMS（破線で囲まれた領域）に示すように進行方向末端の磁束の直線性が乱れ不平行になる、いわゆる磁化曲がり現象が生じることである。この磁化曲がりの度合いを示す指標として磁場平行度またはずれ角あるいはスキュー角がある。これは、主磁場発生方向に対して垂直な成分(X成分)、すなわち均一磁場領域内における断面(xy平面)の磁場印加方向の主磁場発生方向(y方向)からのずれ角を示しており、配向処理を行うウエハを設置する領域内においてより小さくすることが求められる。具体的にはこの磁場平行度が±２度以上になると磁性膜の特性に悪影響を与える。
特に、この磁場発生装置は円筒状空洞を中央に有するが、この円筒状空洞内では、長手方向の中心部から外側に行くに従い、急激に磁場平行度は低下する。そのため、この円筒状空洞内にて前述の磁場平行度が±２度以内となる領域は円筒状空洞長さの２分の１以下となる。この磁場発生装置で十分な処理数を確保しようとすると、必然的に円筒状空洞の長さは処理領域の２倍以上の長さを必要とし、磁場発生装置の大型化及び製造コストの増大を招来する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の磁場発生装置は、N個（Nは４以上の偶数）の永久磁石セグメントをリング状に組合せて、中央空洞部を有する磁気回路を形成し、隣り合う永久磁石セグメントは前記磁気回路の円周方向に沿って異なる磁化方向を有するとともに、隣り合う永久磁石セグメントの磁化方向が交差してなす磁化方向基本位相角θを720/N（度）とし、前記磁気回路を円周方向に４等分して得られる基本構成ユニットを形成する少なくとも１つの永久磁石セグメントの磁化方向は、前記磁化方向基本位相角θを形成する位置から前記空洞部の直径に沿って均一な磁場を発生し得る角度だけ変化するように設定されていることを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の磁場発生装置は、上記の永久磁石セグメントを所定の距離をおいて隣り合うようにリング状に組み合わせて磁気回路を構成することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明の磁場発生装置は、永久磁石セグメントを連続的に(隙間なく)リング状に並べた構成の他に、永久磁石セグメント同士の間に距離をおいた構成、さらに永久磁石セグメント間に非磁性体を介装した構成でもよいが、磁化曲がりの現象が永久磁石セグメントの磁化方向と密接に関係することに注目し、リング状に組み合わされる基本構成ユニットを形成する永久磁石セグメントの少なくとも１つについてその磁化方向を、磁化方向基本位相角を形成する位置から所定角度だけ変化させることにより磁化曲がりを防止した点で従来と異なるものである。
基本構成ユニットのうち、45度付近に配置される永久磁石セグメントの磁化方向を変化させ、それと隣の永久磁石セグメントの磁化方向のなす角度が基本位相角θと異なるようにすることが最も望ましい。このときの磁化方向基本位相角θからの変化量は、時計回り方向を正方向とした場合＋15度以下であることが望ましい。但しマイナス方向まで変化させることは好ましくない。変化量は＋1〜＋20度で効果が得られ、好ましくは＋5〜＋10度で、さらに好ましくは＋5度近傍である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明の磁場発生装置は、実用的見地から略リング状の磁気回路を備えているので、後述するように1/4リング分の磁気回路を基本構成ユニットと定義している。従って、少なくとも一つの基本構成ユニットにおいて本発明の要件を備えていることで本発明の実施を確認できる。但し、本発明の磁場発生装置は、必ずしも正確なリング状でなくても構わない。図１を参照して具体的に説明すると、空洞部の直径方向の一方向に磁束が流れるようにするためには、右上の1/4リング分の磁気回路と右下の1/4リング分の磁気回路では時計回り方向に磁化方向を連続的に変化させ、左上の1/4リング分の磁気回路と左下の1/4リング分の磁気回路では磁化方向を反時計回り方向に連続的に変化させる。ここで磁化曲がりを抑制するのに最も効果のある永久磁石セグメントは、右上の磁気回路ではY軸(縦軸)を基準としてそこから時計方向に向う角度が45度近傍にあるセグメントで、右下の磁気回路ではこの角度が135度近傍にあるセグメントで、左下の磁気回路ではこの角度が225度近傍にあるセグメントで、左上の磁気回路ではこの角度が315度近傍にあるセグメントである。そして基本位相角θの変化については、右上と左下の磁気回路では磁化方向基本位相角θを白抜き矢印で示す磁化方向から時計回り方向に上述したような所定角度内で変化させ、左上と右下の磁気回路では同じく白抜き矢印で示す磁化方向から反時計回り方向に上述したような所定角度内で変化させるものである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明の磁場発生装置において、永久磁石セグメントの数Nは、磁気回路の組立性等の製造面、経済面も考慮すると、8〜20の偶数個であることが望ましく、さらに望ましくは10〜16であり、さらには磁場強度、均一度、磁場平行度等の特性面から12個が最も好ましい。
本発明の磁場発生装置では、空洞部の全領域のうち中央から50〜70%の領域において少なくとも45度付近における磁場発生方向に対する磁場平行度(ずれ角あるいはスキュー角)は、磁気回路の軸(長さ)方向の略全域において、±1度以内とすることができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態についてさらに説明する。
先ず、本発明の磁場発生装置の概略斜視図を図1に示す。図1の装置は円筒体状のハルバッハ型磁気回路を備え、互いに異なる磁化方向に配向した永久磁石セグメントをリング状に組み合わせたものである。本例の磁気回路は12分割され、各永久磁石セグメントS1〜S12は、さらに複数の永久磁石Ｍから構成され、これらの永久磁石の合成磁界が矢印方向に向くように組立てられている。
この磁場発生装置1において、隣合う永久磁石セグメントの磁化方向が交差してなす角度θは、θ=720/N(度)で求められる。したがって分割数(セグメント数)Nが8,10,12,16,20のとき、角度θは、それぞれ90,72,60,45,36度となる。この角度θを磁化方向基本位相角として、多少の組立誤差はあるものの、上記値になるように組み込むことによって磁化方向が連続的に変化し、図示するように左右から流れ込む磁束が効率的に一端に集中し、中央空洞部C10内に誘導されて一見すると直径方向に平行で均一な磁場Ｂを形成する。しかしながら、磁場の分布を詳しく解析すると、少なからず磁化曲がり現象が生じていることが確認された。これは分割されたセグメント磁石間において、急激に磁化方向が変化するために中央の空洞部側にその磁化方向の変動の影響が出る為と考えられる。そこで、この変動の影響を緩和する一つの手段としては、分割数を増加することがまず考えられる。すなわち分割数の増加により磁気回路空洞部内への磁気変動を抑制することができ、より広い均一磁場領域を確保できる。しかし後述する通り、特性面及び製作面や経済面等を勘案すると、10分割程度は必要であるが、20分割までが現実的な分割数なので、単純に分割数を増加するだけで磁気変動を抑制するのは困難と言える。
他方、より広い均一磁場領域を得るために、磁気回路の軸(長さ)方向の磁化曲がりを小さくすることが考えられる。これは、磁場平行度、いわゆるずれ角あるいはスキュー角と称するもので、この値を小さくすることで磁化曲がりを抑制できる。そこで本発明では永久磁石セグメントの磁化方向を上記基本位相角θを形成する位置から変化させることによりこの問題を解決できることを見出したものである。具体的には図１に示す12分割のリング状磁気回路をモデルに1/4リングを基本構成ユニットとして検討を行った。すなわち空洞部内における磁場分布を計算で求めたところ図2に示す結果が得られた。図2において、Ｃ１は、各計算地点におけるＸ方向の磁束密度ＢｘとＹ方向の磁束密度Ｂｙから正接角（＝tan-1（Bx/By））を求め、この正接角の値が同一となる点を結んだ曲線(磁場平行度等高線)であり、磁場平行度の分布を示している。図2から基本構成ユニットにおける外周側45度付近の領域の磁場平行度(ずれ角またはスキュー角)が最も大きく、かつ外周側45度近傍で急激に増大していることから、45度付近の磁石の磁化方向が磁場均一度に影響を与えていることが分った。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
次に磁場平行度についての検討結果を説明する。まず、図１に示すリング状磁気回路においてＹ軸の正部分からの角度が15度、165度、195度、345度に相当する位置に配置された永久磁石セグメントS1、S6、S7、S12について、磁化方向を基本位相角を形成する位置から変動させる角度(変動角)ψを±5度の範囲で変化させたときの空洞部内の軸(長さ)方向の磁場平行度を図３に示す。図３において縦軸は磁場平行度を、横軸は磁気回路の長さを示しており、同図は磁気回路の軸(長さ)方向の中央から上下300mmの範囲における磁場平行度の変化を示している。
次に、上記磁気回路においてＹ軸の正部分からの角度が75度、105度、255度、285度に相当する位置に配置された永久磁石セグメントS3、S4、S9、S10について、磁化方向を基本位相角を形成する位置から変動させる角度(変動角)ψを±5度の範囲で変化させたときの空洞部内の軸(長さ)方向の磁場平行度を図4に示す。
また、同様に上記磁気回路においてＹ軸の正部分からの角度が45度、135度、225度、315度に相当する位置に配置された永久磁石セグメントS2、S5、S8、S11について、磁化方向を基本位相角度を形成する位置から変動させる角度(変動角)ψを−5〜＋15度の範囲で変化させたときの空洞部内の軸(長さ)方向の磁場平行度を図5に示す。
これらの図に示されるように、永久磁石セグメントの磁化方向を、基本位相角を形成する位置から5度程度傾けることにより、磁気回路の軸方向全域において、磁場平行度を1度以内とすることができる。しかも、各基本構成ユニットのうち45度付近に配置される永久磁石セグメントの磁化方向を基本位相角を形成する位置から傾けた場合の磁場平行度は、図5からψ=5度のときに±0.5度以内に収まり、磁場平行度を大幅に改善できる効果があることがわかる。すなわち永久磁石セグメントの磁化方向基本位相角を変化させることにより、磁場平行度が改善され、ひいては磁化曲がりを抑制でき、特に各基本構成ユニットにおいて45度付近に配置される永久磁石セグメントの磁化方向を基本位相角を形成する位置から変化させることがより効果的であると言える。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
また、磁気回路を構成する基本構成ユニット(図1の右上の1/4リング)について、磁化方向を、磁化方向基本位相角θを形成する位置から変動角ψ=−5〜＋15度(時計回り方向を正とする。)の範囲で変化させた場合の面内磁束密度分布(図2に相当)を検討し、変動角の好ましい範囲を求めた。具体的には、上記の図5は磁気回路の長さ(軸)方向全域±300mmにわたって空洞部内の均一磁場領域の外側で、かつ45度位置に相当する位置における磁場平行度(deg)を示しているので、この図から次のことがわかる。同図より磁気回路の中央から上下300mmにおいて変動角ψ=−5度では磁場平行度が1度以上となる領域が多く現れ、磁場平行度が1.5度以上と大きくずれる領域も存在する。変動角ψ=0度では一部の領域(両端の±300mm付近)で磁場平行度が1度を超えている。これに対して、変動角ψが5〜10度では長さ方向全域において、磁場平行度は±1度以内になっている。また、変動角ψが15度になると磁場平行度は−1度を超えて−1.5度に近づき、磁場平行度は大きくなってしまうことが分かる。したがって変動角ψの最適範囲は、磁気回路の寸法などにより若干異なるが、0＜ψ≦15度の範囲がよく、さらに加工精度として±5度を考慮すると、磁場平行度を±1度以内に押えるためには、変動角ψは0＜ψ≦20度近傍の範囲がよく、特に変動角が5度近傍で磁場平行度を空洞内全域で最も小さくすることができる。
尚、基本位相角θを変化させる永久磁石セグメントは、４つの基本構成ユニットからなる図1の磁気回路の場合、45度付近に位置する永久磁石セグメントS2、135度付近に位置する永久磁石セグメントS5、225度付近に位置する永久磁石セグメントS8及び315度付近に位置する永久磁石セグメントS11であり、永久磁石セグメントS2、S8は時計回り方向に、永久磁石セグメントS5、S11は反時計回り方向へ変動角ψ=15度以下で変化させればよい。また12分割の磁気回路の構造としては、図6に示すようにＡタイプ(図1参照)の他に、Ｘ−Ｙ軸に対し永久磁石セグメントをずらして配置した、Ｂタイプも考えられるが、Ｂタイプの場合は45度付近に配置された2つの永久磁石セグメントS2、S3について基本位相角を形成する位置から変化させることが望ましい。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
また、磁場平行度は磁気回路の軸方向の長さにも依存することが分っており、図７に示すようにその長さが長くなればなるほど平行度は向上する。軸方向長さは300mm以上であることが望ましいと言えるが、長くなればなるほど重量の増加が著しい。よって、平行度を維持したまま軸方向長さを短くすることが望まれる。本発明では、磁化方向基本位相角θを変化させることにより磁化曲がりが補正されると共に磁場平行度の精度が高くなるので、従来と同等の平行度を維持したまま軸方向長さを短くすることが可能である。また、これまでの例では磁気回路の上下端部で磁場平行度が悪化するため、磁気回路の一部の領域しか配向処理に使用できなかったのに対して、本発明により、磁気回路全体が使用できるようになり、例えば配向磁場強度が異なる磁性膜ウエハ等も同時に同じ装置内で処理できるため、配向磁場強度に合わせた装置を複数台設置する必要が無くなり、大幅な設備コストの低減が可能となる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
次に、磁場強度、磁場均一度及び磁場平行度が安定する望ましいセグメント分割数について検討した結果を説明する。
(a)磁場均一度
磁場均一度は、中央空洞部の中心から直径120mmの領域で、かつ軸方向の中央から150mmの領域内における最大磁束密度Tmaxと最小磁束密度Tminの差(Tmax-Tmin)と最大磁束密度Tmaxとの比率[(Tmax- Tmin)/Tmax]で表し、図８に示す。図８において縦軸は磁場均一度を、横軸は分割数を示す。尚、図中Ａタイプ及びＢタイプは図６に示す永久磁石セグメントである。図８より磁気回路のセグメント分割形態の違い、即ちＡ、Ｂタイプによる磁場均一度の影響はないこと、そして１２分割以上としても磁場均一度の向上は見込めないことが分かる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
(b)中心磁場強度
中心磁場強度は、中央空洞部の軸方向中央で、かつ中心位置における主磁場発生方向の磁束密度で表す。主磁場発生方向は、図１に示すような磁気回路の中央空洞内に発生する磁場の方向である。図９に中心磁場強度（T）と分割数の関係を示し、また20分割品の中心磁場強度に対する中心磁場強度の比率を点線で示す。図９より中心磁場強度は分割数の増加に伴って漸増するが、12分割以上でほぼ一定となることが分かる。また、点線で示すように20分割とした場合の中心磁場強度と対比すると、12分割以上であれば約3%以内の差に収まることが分かる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
(c)磁場平行度
磁場平行度(ずれ角又はスキュー角)は、処理対象である被処理品が設置される場所に相当する評価領域全体における磁場印加方向のずれ角の最大値である。図10に磁場平行度の最大値（最大スキュー角）と分割数の関係を示す。図10より磁場平行度の最大値は分割数が増加すると減少するが、12分割以上ではそれ以上の減少はなく略一定となることが分かる。
また、一般的に磁場発生装置の長手方向に沿ってその長さに比例して円筒状空洞部内における磁場平行度の小さい領域も増加するが、使用する永久磁石の重量も増加することから、磁場発生装置の重量も増加し、製造コストが嵩むので経済的ではない。
このように製造面また経済面からの評価も行うと、永久磁石セグメントの分割数が多くなると組立が煩雑となり、また必要とする永久磁石の種類も多くなりコストも嵩む。
そこで、本発明の磁場発生装置において、永久磁石セグメントの分割数Nは8〜20分割が妥当であり、望ましくは、10〜16割、最も望ましくは12分割である。